(57)【要約】  作動回路内を循環する作動流体を冷却するように意図された作動回路を含む極低温冷凍装置であって、作動回路は、作動流体を、圧縮、次の冷却、次の膨張、および新しいサイクルに向けて準備するための次の再加熱を含む復熱作業サイクルに供するために、ループ状に直列に配置された、圧縮部分（３）、冷却部分（５、６、２２、２３、２４、２６、２７）、弁（９）を備えた部分、膨張部分（１０、２５、２８）、および再加熱部分を含み、圧縮部分は、リニアモータ（１）によって駆動されるリニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器（３、２０、２１）を含み、膨張部分は、リニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器（１０、２５、２８）を含み、弁を備えた部分は、リニアモータによってリニア式に作動される少なくとも１つの調節弁（９）であって、作動流体を少なくとも１つの膨張ピストンから供給するまたは抜き取るために制御される少なくとも１つの調節弁（９）を含む、極低温冷凍装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動回路内を循環する作動流体を冷却するように意図された作動回路を含む極低温冷凍装置であって、前記作動回路は、前記作動流体を、圧縮、次の冷却、次の膨張、および新しいサイクルに向けて準備するための次の再加熱を含む復熱作業サイクルに供するために、ループ状に直列に配置された、圧縮部分（３）、冷却部分（５、６、２２、２３、２４、２６、２７）、弁（９）を備えた部分、膨張部分（１０、２５、２８）、および再加熱部分を含み、前記圧縮部分は、リニアモータ（１）によって駆動されるリニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器（３、２０、２１）を含み、前記膨張部分は、リニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器（１０、２５、２８）を含み、弁を備えた前記部分は、リニアモータによって作動されるリニア式の少なくとも１つの調節弁（９）であって、前記作動流体を少なくとも１つのピストン膨張器へ供給する、またはそれから抜き取るために制御されるリニア式の少なくとも１つの調節弁（９）を含む、極低温冷凍装置。
【請求項２】
リニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器（３、２０、２１）を駆動する前記リニアモータ（１）に連結されたリニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器（１０、２５、２８）を含む、すなわち、少なくとも１つのリニアモータ（１）が、リニアピストンを有する膨張器（１０、２５、２８）、およびリニアピストンを有する圧縮器（３、２０、２１）の両方を連結することを特徴とする、請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
リニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器（３、２０、２１）を駆動する前記リニアモータ（１）に連結されたリニア式の少なくとも１つの調節弁（９）を含む、すなわち、少なくとも１つのリニアモータ（１）が、リニアピストンを有する圧縮器（３、２０、２１）、およびリニア式の調節弁（９）の両方を連結することを特徴とする、請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの圧縮器の前記モータとは別のリニアオルタネータに連結されたリニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器（１０、２５、２８）を含む、すなわち、少なくとも１つのリニアオルタネータが、リニアピストン前記オルタネータを有する膨張器（１０、２５、２８）を連結することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記作動流体が４Ｋ〜２００Ｋの間の温度に冷却されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項６】
前記作動回路の前記圧縮部分（３）が、リニアピストンを有する複数の圧縮器（３、２０、２１）を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項７】
前記作動回路の前記膨張部分（１０、２５、２８）が、リニア式の各調節弁（９）にそれぞれ関連付けられるリニアピストンを有する複数の膨張器（１０、２５、２８）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項８】
前記作動回路が、圧縮器（３）の高圧出口を膨張器（１０）の入口に接続する高圧ライン（１１）を含み、前記高圧ライン（１１）が逆止弁システム（４）と、圧縮ガスを冷却するための少なくとも１つの熱交換器（５、６）と、リニア式の調節弁（９）とを含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項９】
前記作動回路が、膨張器（１０）の出口を圧縮器（３）の入口に接続する低圧ライン（１２）を含み、前記低圧ライン（１２）が、リニア式の調節弁（９）と、膨張ガスを再加熱するための少なくとも１つの熱交換器（７、６）と、逆止弁システム（１４）とを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記高圧ラインおよび低圧ライン（１１、１２）内で循環する前記作動流体を熱交換させる向流熱交換器（７）を含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の冷凍装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの熱交換器（５、７）が、前記作動流体を、水、空気、窒素、ヘリウム、水素、メタン、ネオン、酸素またはアルゴンのうちの少なくとも１つの流体と熱交換させることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのリニア式の調節弁（９）が、リニアピストンを有する前記膨張器（１０）の動作周波数と同じ周波数でそのリニアモータによって作動され、前記膨張器（１０）に対して前記弁（９）が、前記ピストン膨張器（１０）の作動に対して位相がずれたやり方であるが、作動流体の供給または回収を制御することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項１３】
直列に配置されたリニアピストンを有する２つの圧縮器（２０、２１）を含み、前記作動回路が、第１の圧縮器（２０）の高圧出口を逆止弁システム（１４）を経由して第２の圧縮器（２１）の入口に接続する第１の高圧ライン（１１１）と、前記第２の圧縮器（２１）の高圧出口を、前記作動流体と熱交換する少なくとも１つの熱交換器（２４、２６、２７）、逆止弁システム（１４、４）、少なくとも１つの、好ましくは２つのリニア式の調節弁（９）、および少なくとも１つの、好ましくは２つの、リニアピストンを有する膨張器（２５、２８）を経由して前記第１の圧縮器（２０）の入口に接続する第２の高圧ライン（１１）とを含み、前記少なくとも１つの調節弁（９）が、前記圧縮器（２０、２１）から来る流体であって少なくとも１つの熱交換器（２４、２６、２７）と熱的に交換した流体を少なくとも１つの膨張器（２５、２８）に送るように、次いで、少なくとも１つの膨張器（２５、２８）から来る膨張流体を、少なくとも１つの熱交換器（２４、２６、２７）と途中で熱交換して前記圧縮器（２０、２１）に送るように制御されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項１４】
前記作動回路が、膨張器（２５、２８）の出口で前記作動流体の少なくとも一部を液化し、前記液相を前記作動流体の気相から分離するための、少なくとも１つの調節弁（９）の下流に配置された相分離器（２９）を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の冷凍装置。
【請求項１５】
前記作動回路が、液化された作動流体をサンプリングするためのライン（３０）と、作動流体を気相の形態で前記回路へ供給するためのライン（３１）とを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は極低温冷凍装置に関する。
【０００２】
本発明は、より具体的には、作動回路内を循環する作動流体を冷却するように意図された作動回路であって、圧縮、次の冷却、次の膨張および新しいサイクルに向けて準備するための次の再加熱を含む復熱作業サイクルに作動流体を供するために、ループ状に直列に配置された圧縮部分、冷却部分、弁を備えた部分、膨張部分、および再加熱部分を含む作動回路を含む極低温冷凍装置に関する。
【０００３】
本発明はまた、このような冷凍装置を含む極低温ガス液化ユニットに関する。
【背景技術】
【０００４】
既存の極低温冷凍機または液化ユニットのたゆまぬ改善に対する関心は、それらの耐用年数を延ばし、最低動作温度を低下させ、それらの信頼性を高めることを提案している。具体的には、メンテナンス作業を排除すること、および油の使用を段階的に廃止することが特に有利である。
【０００５】
第１の知られている解決策は、スターリング型またはパルス管型の再生熱力学サイクルを使用することを伴う。これらの再生式解決策の欠点は次の通りである。これらの装置は３０Ｋ未満の温度での性能が劣る。これは、再生器を構成する材料のこの温度レベルにおける低い熱容量に関連する。加えて、これらの解決策では、冷凍機を冷却すべきシステムおよび熱除去システムに熱的に接続することは比較的困難である。
【０００６】
別の解決策は、潤滑スクリュー圧縮器、向流プレート熱交換器および半径流膨張タービンに基づく逆ブレイトン型の復熱式熱力学サイクルを使用することである。しかしながら、この解決策は、圧縮器を冷却し潤滑するために油を使用するという欠点を有する。これは、圧縮後のサイクルガスの脱油作業を課す。加えて、このタイプのシステムの寿命は、使用される圧縮技術の結果として、および圧縮器のレベルでの漏れの結果として比較的短い。この技術はまた、二相流体の膨張に関する問題を呈し、およびエネルギー効率が最適ではない。
【０００７】
さらに別の解決策は、乾式遠心圧縮器、向流プレート熱交換器および半径流膨張タービンに基づく逆ターボブレイトン型の復熱式熱力学サイクルを使用することである（ＦＲ２９２４２０５Ａ１号明細書参照）。しかしながら、この解決策は、使用されるターボ機械の小型化が困難である結果として、低熱入力にはあまり適していない。
【０００８】
加えて、遠心圧縮の各ステージにおいて達成可能な圧縮比は、極低温において利用可能なガスの低い分子量の結果として、比較的低い。さらに、このようなターボ機械の製造コストは比較的高く、使用される半径流式機械は二相流体を膨張するのにあまり適していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の１つの目的は、上に挙げた従来技術の欠点の全てまたは一部に対処することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的のために、本発明に従い、さらに上記の前提部に提示された一般的な定義と一致する装置は、圧縮部分が、リニアモータによって駆動されるリニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器を含み、膨張部分が、リニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器を含み、弁を備えた部分が、リニアモータによって作動される少なくとも１つのリニア式の調節弁であって、作動流体を少なくとも１つのピストン膨張器へ供給するかそれから抜き取るように制御される少なくとも１つのリニア式の調節弁を含むことを本質的に特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含んでもよい。
・装置は、リニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器を駆動するリニアモータに連結されたリニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器を含む、すなわち、少なくとも１つのリニアモータは、リニアピストンを有する膨張器、およびリニアピストンを有する圧縮器の両方を連結する。
・装置は、リニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器を駆動するリニアモータに連結されたリニア式の少なくとも１つの調節弁を含む、すなわち、少なくとも１つのリニアモータは、リニアピストンを有する圧縮器、およびリニア式の調節弁の両方を連結する。
・装置は、少なくとも１つの圧縮器のモータとは別のリニアオルタネータに連結されたリニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器を含む、すなわち、少なくとも１つのリニアオルタネータが、リニアピストン前記オルタネータを有する膨張器を連結する。
・作動流体は４Ｋ〜２００Ｋの間の温度に冷却される。
・作動回路の圧縮部分は、リニアピストンを有する複数の圧縮器を含む。
・作動回路の膨張部分は、リニア式の各調節弁（９）にそれぞれ関連付けられるリニアピストンを有する複数の膨張器を含む。
・作動回路は、圧縮器の高圧出口を膨張器の入口に接続する高圧ラインを含み、前記高圧ラインは逆止弁システムと、圧縮ガスを冷却するための少なくとも１つの熱交換器と、リニア式の調節弁とを含む。
・作動回路は、膨張器の出口を圧縮器の入口に接続する低圧ラインを含み、前記低圧ラインは、リニア式の調節弁と、膨張ガスを再加熱するための少なくとも１つの熱交換器と、逆止弁システムとを含む。
・少なくとも１つの熱交換器は、高圧ラインおよび低圧ライン内で循環する作動流体を熱交換させる向流熱交換器を含む。
・少なくとも１つの熱交換器は、作動流体を、水、空気、窒素、ヘリウム、水素、メタン、ネオン、酸素またはアルゴンのうちの少なくとも１つの流体と熱交換させる。
・少なくとも１つのリニア式の調節弁は、リニアピストンを有する膨張器の動作周波数と同じ周波数でそのリニアモータによって作動され、リニアピストンを有する膨張器に対して弁は、ピストン膨張器の作動に対して位相がずれたやり方であるが、作動流体の供給または回収を制御する。
・装置は、直列に配置されたリニアピストンを有する２つの圧縮器を含み、作動回路は、第１の圧縮器の高圧出口を逆止弁システムを経由して第２の圧縮器の入口に接続する第１の高圧ラインと、第２の圧縮器の高圧出口を、作動流体と熱交換する少なくとも１つの熱交換器、逆止弁システム、少なくとも１つの、好ましくは２つのリニア式の調節弁、および少なくとも１つの、好ましくは２つの、リニアピストンを有する膨張器を経由して第１の圧縮器の入口に接続する第２の高圧ラインとを含み、少なくとも１つの調節弁は、圧縮器から来る流体であって少なくとも１つの熱交換器と熱的に交換した流体を少なくとも１つの膨張器に送るように、次いで、少なくとも１つの膨張器から来る膨張流体を、少なくとも１つの熱交換器と途中で熱交換して圧縮器に送るように制御される。
・作動回路は、膨張器の出口で作動流体の少なくとも一部を液化し、液相を作動流体の気相から分離するための、少なくとも１つの調節弁の下流に配置された相分離器を含む。
・作動回路は、液化された作動流体をサンプリングするためのラインと、作動流体を気相の形態で回路に供給するためのラインとを含む。
・作動回路は、作動流体を、ブレイトンサイクル、ジュール・トムソンサイクル、クロードサイクルの中から選択される熱力学サイクルに供する。
・作動回路は閉鎖される（または、それぞれ、開放される）、すなわち、作動流体は回路から回収されない（または、それぞれ、回収される）。
・作動流体は常に作動回路内で同じ方向に循環する、すなわち、作動流体は２つの作動回路装置の間の回路の同じライン内で何度も往復しない。
・冷凍機は、ユーザ装置（冷却源）から熱源（冷却源よりも高温の装置）に熱を伝達する。
・少なくとも１つのリニアモータは、可撓性ベアリングまたはガスベアリングまたは磁気ベアリングを有するタイプのものである。
・リニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器は、「乾式」型であり、すなわち、作動流体を潤滑油と接触させない。
・リニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器は、「乾式」型であり、すなわち、作動流体を潤滑油と接触させない。
・少なくとも１つの弁は「乾式」型であり、すなわち、作動流体を潤滑油と接触させない。
・作動流体は、ヘリウム、水素、窒素、メタン、ネオン、酸素またはアルゴンのうちの少なくとも１つを含む。
・少なくとも１つの調節弁は、特にガス状、液状または２相作動流体用のピストン膨張器を形成する。
・リニアピストンを有する圧縮器のリニアモータに連結されたリニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器は、作動流体の膨張の機械的作用を、膨張器から、前記モータのシャフトモータを経由して、圧縮器に伝達するように構成される。
・複数の膨張器のうちの１つの膨張器内で作動流体の一部を膨張させるために少なくとも１つの導出部が作動回路に設けられる。
・膨張器の１つで膨張された作動流体の全部または一部は、低圧ラインによって決定された中間レベルに接続された戻りラインを経由して１つまたは複数の圧縮器に戻されてもよい。
【００１２】
本発明は、従来技術に対して特に以下のような多くの利点を呈する。
・（圧縮器と再生器との間で作動流体が何度も往復するパルス管タイプの）再生サイクルと比較して、復熱サイクルを使用する本発明による装置（作動回路は作動流体が常に同じ方向に循環する異なる構造のループを形成する）は、非常に低い温度、典型的には４Ｋに達することを可能にする。
・１つまたは複数のピストンを有する圧縮器の使用は、高い圧縮率、特に圧縮段階あたり最高１０の高い圧縮率を達成することを可能にする。遠心圧縮器を使用するサイクルと比較すると、この特徴は、サイクルの流量を低減すること、およびサイクルの効率を向上することを可能にする。
・可動部品の数が少なく、システムが単純であるため、冷凍機は高い信頼性を有する。圧縮器は速度倍増器またはユニバーサルジョイントによる機械的動力の伝達を必要としない。
・装置はほとんどまたは全くメンテナンスを必要としない。
・そのような装置の寿命は、典型的には数十年である。
・本発明による復熱サイクルは、冷凍機を、冷却すべきシステムに、例えばプレート熱交換器を介して、およびまた、排熱システムに、例えばシェルおよびチューブ熱交換器を介して、簡単に接続することを可能にする。
・本発明による復熱サイクルは、冷却すべきシステムを、圧縮／膨張機械から離して再配置すること、および、熱を除去するためのシステムを、管を介して圧縮／膨張機械から離して再配置することを可能にする。
・装置のモジュール性により、それを複数の異なるニーズに適合させることが可能になる。例えば、いくつかの温度レベルで熱を抽出することが可能である。
・装置内に油が存在しないことにより、この種の汚染を許容しないであろう冷却すべきシステムに装置を直接接続することができる。
・有利には、冷凍機は潤滑にも冷却にも油を使用しない。これにより、圧縮器の下流の脱油設備が排除されるとともに、使用済み油の処理およびリサイクル操作が排除される。
・ピストン膨張器の膨張動作は、圧縮器によって評価され利用されてもよい。
・装置は回転または摺動ジョイントがない可能性があり、システムは外部に対して完全に密閉される。これにより、サイクルガスのいずれの損失または汚染も防止される。
・装置は、二相流体を膨張することを可能にし、および、ジュール・トムソン膨張器を、例えばジュール・トムソンサイクルまたはクロードサイクルにおいて、復熱動作を備えた膨張器に置き換えることを可能にする。
・膨張器の弁を作動するために潤滑およびメンテナンスを必要とする複雑な機械システムを使用する既存のピストン膨張器と異なり、本装置は、より単純な機構を使用し、その寿命は典型的に数十年である。
【００１３】
本発明はまた、冷却された作動流体がユーザ装置と熱交換される、そのような極低温冷凍装置を用いたユーザ装置の冷凍のための方法に関する。
【００１４】
本発明はまた、そのような冷凍装置を含むかまたは使用する液化ユニットまたは液化方法に関する。
【００１５】
本発明はまた、上記または下記の特徴の任意の組み合わせを含むいずれかの代替装置または方法に関連し得る。
【００１６】
他の特徴および利点は、図を参照して与えられる、以下の記載を熟読することで明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による冷凍装置の構造および動作の例を示す概略的な部分図を示す。
【図２】本発明による液化装置の構造および動作の別の例を示す概略的な部分図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１に示す非包括的な例示的な実施形態は、窒素を飽和状態に液化することができる、例えば７７ｋの低温を有する極低温冷凍機である。
【００１９】
冷凍装置１００は、好ましくは、その目的として、熱を、（冷却されるべき装置またはユーザ７との熱交換を介して）低温の低温源１３から、（例えば冷却装置５との熱交換を介して）より高温の熱源１５に移さなければならない。
【００２０】
図１に示すように、この装置は、作動流体（例えば、ヘリウム）用の作動回路を含む。作動回路はループを形成し、その中を作動流体は復熱式の熱力学サイクルに供されることによって一方向に循環する。
【００２１】
装置は、以下に記載する構成要素の全てまたは一部を含んでもよい。
【００２２】
装置は、可撓性ベアリング２（またはガスまたは低摩擦または磁気ベアリング）を好ましくは使用する１つまたは複数のリニアモータ１を含む。図１に例として示されるベアリングは、可撓性ベアリング型である。
【００２３】
回路は、好ましくは周囲温度で機能し、１つまたは複数のリニアモータ１によって駆動される直列に配置された１つまたは複数のピストン圧縮器３を含む。ピストン圧縮器は、実際に、モータ１によって駆動される線形移動型のピストン圧縮器である。ピストンは、モータ、例えば、電磁モータを介して往復運動に従って並進移動されるシャフトに連結され、モータのピストンの一体シャフトの並進の往復運動は、（シャフトと一体またはステータと一体の磁石と協働して）磁気コイルシステムによって駆動される。
【００２４】
これらのピストン圧縮器３は、例えば、高圧ライン１２（圧縮された流体を抑制するため）および低圧ライン１１（膨張した流体を再圧縮するために受け入れるため）と連通するために、逆止弁４および１４を使用する。複数の逆止弁技術、例えばリード弁が考えられる。もちろん、圧縮された流体の回路内での反対方向への戻りを防止することができる他の任意のタイプの装置が想定されてもよい。
【００２５】
作動回路は、圧縮ガスから熱源に熱を除去するために提供された熱交換器５であって、１つまたは複数の圧縮器３の出口に配置された１つまたは複数の熱交換器５を含む。この冷却用熱交換器は、例えば、作動流体を冷却用伝熱流体１５と熱交換させる。
【００２６】
次に、少なくとも１つの向流式熱交換器６が（高圧ライン１２上の回路内の作動流体の循環方向の下流に）設けられる。この熱交換器６は、比較的高温の要素を回路の比較的低温の要素６から分離してもよい。
【００２７】
次に回路は、低温（すなわち、４〜２００Ｋ）で動作する少なくとも１つの弁９を含む。この弁９は、下流に据えられたピストン膨張器１０からガスを供給および回収するために設けられている。
【００２８】
この弁９は、圧縮器モータ１の技術と同等の技術のリニアモータ８によって作動されてもよい。
【００２９】
この弁９は、圧縮器３のモータ１にまたは別個のモータに等しく連結されてもよい。同様に、膨張器１０は、圧縮器のモータ１にまたは弁９のモータ８にまたは別個のオルタネータに等しく連結されてもよい（このリニアオルタネータは上記のモータ１の技術と同等の技術のものであってよい  このオルタネータは例えば圧縮器の１つまたは複数のモータと同じ種類の構造を有するが、オルタネータモードで使用される。すなわち、ピストンは、流体によって移動され、エネルギーを生成する）。
【００３０】
この弁９は、好ましくは、膨張器１０と同じ周波数で作動されるが、その動きは膨張器１０の効果を最大化するように膨張器１０に対して位相がずれている。
【００３１】
１つまたは複数のピストン膨張器１０は、低温で作動し、圧縮器のモータ１に機械的に連結されてもされなくてもよい。
【００３２】
膨張器１０によって膨張されたガスは（弁９を介して）低圧ライン１１を経由して圧縮器３に戻される。作動流体を再加熱し、従って低温源１３に熱を抽出するために、１つまたは複数の熱交換機７が設けられる。膨張流体は、（対応する弁４を経由して）圧縮器３に戻る前に、特に向流熱交換器６に流れ込む。
【００３３】
この冷凍機１００の動作は以下の通りであり得る。気相の（例えば２０℃の）作動ガス（この例ではヘリウム）は、ピストン圧縮器３を通るときに低圧（例えば１０バール）から高圧（例えば１８バール）へ圧縮される。
【００３４】
逆止弁４、１４は、圧縮器の圧縮室を低圧ライン１１および高圧ライン１２と交互に連通させるために使用される。
【００３５】
ヘリウムは、圧縮器の出口で（例えば１１０℃に）再加熱される。次いで、ヘリウムは、第１の熱交換器５を通るときに水の流れ１５（または他のいずれかの適切な冷却剤）を用いて冷却される。ヘリウムの温度は２５℃に下げられる。
【００３６】
次いで、ヘリウムは向流熱交換器６を通過し、そこでその温度は例えば７９Ｋに下げられる。下流側で、調節弁９は、膨張器１０の膨張室を低圧ライン１１および高圧ライン１２と交互に連通させるために用いられる。
【００３７】
ヘリウムはピストン膨張器１０を通過し、そこでその温度は低下する（例えば６７Ｋまで）。このピストン膨張器１０は、特に、二相流体または液体流体で機能するように構成される。
【００３８】
膨張器が圧縮器のモータに連結される場合、膨張器１０の膨張動作は、リニアモータ１の共通シャフトを介して圧縮器３に伝達され得る。
【００３９】
次いで、ヘリウムは、再加熱熱交換器７を通過し、ここで、冷却ユーザ装置１３（この例では窒素）を冷却する。冷却された気体窒素１３は、例えばそこから熱を抽出することによって、飽和状態に液化される。
【００４０】
ヘリウムの温度は、例えば７６Ｋにされる。
【００４１】
次いで、ヘリウムは、もう一度向流熱交換器６を通過し、そこで（例えば２０℃まで）再加熱される。
【００４２】
次いで、ヘリウムは、弁４を介して新たな同一サイクルを実行するために、圧縮器３に戻る。
【００４３】
図２は、本発明の別の例示的な実施形態を示す。この例は、ガス液化装置、特に水素を表す。この液化ユニットは、上述したのと同じ主要要素を使用する。
【００４４】
例えば２０℃（気相）の作動ガス（水素）は、直列に配置された２つのピストン圧縮器２０および２１内で圧縮される。
【００４５】
（高圧ラインおよび弁１４を介した）各圧縮器２０、２１の出口で、ガスは熱交換器２２、２３によって冷却される。この水素は次に第１の向流熱交換器２４を通るときに冷却される。
【００４６】
冷却されたガスの流れの一部は、水素から熱を抽出するようなやり方で、第１のリニア弁９を含む導出部１５を経由して、第１のピストン膨張器２５を通過するように承認されてもよい。
【００４７】
上述したように、この第１のピストン膨張器２５は、リニアモータ（簡略化のために図示していないが、上述したものと同じタイプのものであってよい）を経由して第１の圧縮器２０に接続されてもよい。同様に、第１の膨張器は、別個のモータ（オルタネータ））に連結されてもよい。
【００４８】
第１の膨張器２５の上流の第１の制御弁９は、好ましくはリニアモータ（簡略化のために図示していないが、上述したものと同じタイプのものであってよい）を経由して作動される。
【００４９】
次いで、水素（膨張されているまたはされていない）は、第２の向流熱交換器２６を通るときに、および必要であれば第３の向流熱交換器２７を通るときに、冷却される。第１の膨張器２５で膨張されたこの水素は直接第１の圧縮器２０へ戻されてもよい（１つまたは複数の向流熱交換機２４、２６を経由して。すなわち、第１の膨張器２５で膨張された水素は、第２の膨張器に供されることも冷却されることもなく、圧縮器に戻されてもよい。
【００５０】
導出部１５の下流で、残りの水素は、次いで、（リニア制御弁９を経由して）第２のリニア膨張器２８で膨張される。第２の膨張器２８は、好ましくは、それを部分的に液化することを目的として水素から熱を抽出するために、２相ピストン型のものである。この第２のピストン膨張器２８は、（前のように簡略化のために図示しないリニアモータを経由して）第２の圧縮器２１に、または別個のオルタネータに機械的に接続（連結）されてもよい。
【００５１】
第２の膨張器２８の上流に位置する第２の制御弁９は、リニアモータ（簡略化のため図示せず）によって同じく作動されてもよい。
【００５２】
膨張器２５、２８と圧縮器２０との間の流体の循環を制御する制御弁９は、必要であれば、同一の共通のアクチュエータによって作動されてもよい。
【００５３】
第２の膨張器２８に流入した後に得られた２相混合物は、次いで、極低温セパレータ２９に送られてもよい。水素の気相は、向流熱交換器２７、２６、２４を介して第１の圧縮器２０に戻される。
【００５４】
結果として得られた液相は、この目的のために設けられたライン３０を介して最終ユーザに送られてもよい。回路は、液体のサンプリングを補償するために、（例えば第１の圧縮器２０の上流で）作動流体を供給するための入力部３１を含んでもよい。
【００５５】
もちろん、使用される作動流体は、ヘリウムまたは水素以外のいずれかの流体、例えば窒素、メタン、ネオン、酸素またはアルゴンであってよい。
【００５６】
従って作動回路は開放型または閉鎖型であってよい。
【００５７】
もちろん、本発明は、図１および２に示すサイクルおよび回路の例に限定されない。従って、例えば、特にブレイトン、ジュール・トムソンまたはクロードサイクルに基づいて、複数の異なる構造を想定することが可能である。
【図１】
2019510184.tif 000003
【図２】
2019510184.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月9日(2018.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動回路内を循環する作動流体を冷却するように意図された作動回路を含む極低温冷凍装置であって、前記作動回路は、前記作動流体を、圧縮、次の冷却、次の膨張、および新しいサイクルに向けて準備するための次の再加熱を含む復熱作業サイクルに供するために、ループ状に直列に配置された、圧縮部分（３）、冷却部分（５、６、２２、２３、２４、２６、２７）、弁（９）を備えた部分、膨張部分（１０、２５、２８）、および再加熱部分を含み、前記圧縮部分は、リニアモータ（１）によって駆動されるリニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器（３、２０、２１）を含み、前記膨張部分は、リニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器（１０、２５、２８）を含み、弁を備えた前記部分は、リニアモータによって作動されるリニア式の少なくとも１つの調節弁（９）であって、前記作動流体を少なくとも１つのピストン膨張器へ供給する、またはそれから抜き取るために制御されるリニア式の少なくとも１つの調節弁（９）を含む、極低温冷凍装置。
【請求項２】
リニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器（３、２０、２１）を駆動する前記リニアモータ（１）に連結されたリニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器（１０、２５、２８）を含む、すなわち、少なくとも１つのリニアモータ（１）が、リニアピストンを有する膨張器（１０、２５、２８）を連結し、同時にリニアピストンを有する圧縮器（３、２０、２１）を連結することを特徴とする、請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
リニアピストンを有する少なくとも１つの圧縮器（３、２０、２１）を駆動する前記リニアモータ（１）に連結されたリニア式の少なくとも１つの調節弁（９）を含む、すなわち、少なくとも１つのリニアモータ（１）が、リニアピストンを有する圧縮器（３、２０、２１）を連結し、同時にリニア式の調節弁（９）を連結することを特徴とする、請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの圧縮器の前記モータとは別のリニアオルタネータに連結されたリニアピストンを有する少なくとも１つの膨張器（１０、２５、２８）を含む、すなわち、少なくとも１つのリニアオルタネータが、リニアピストン前記オルタネータを有する膨張器（１０、２５、２８）を連結することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項５】
前記作動流体が４Ｋ〜２００Ｋの間の温度に冷却されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項６】
前記作動回路の前記圧縮部分（３）が、リニアピストンを有する複数の圧縮器（３、２０、２１）を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項７】
前記作動回路の前記膨張部分（１０、２５、２８）が、リニア式の各調節弁（９）にそれぞれ関連付けられるリニアピストンを有する複数の膨張器（１０、２５、２８）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項８】
前記作動回路が、圧縮器（３）の高圧出口を膨張器（１０）の入口に接続する高圧ライン（１２）を含み、前記高圧出口（１２）が逆止弁システム（４）と、圧縮ガスを冷却するための少なくとも１つの熱交換器（５、６）と、リニア式の調節弁（９）とを含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項９】
前記作動回路が、膨張器（１０）の出口を圧縮器（３）の入口に接続する低圧ライン（１１）を含み、前記低圧ライン（１１）が、リニア式の調節弁（９）と、膨張ガスを再加熱するための少なくとも１つの熱交換器（７、６）と、逆止弁システム（１４）とを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの熱交換器が、前記高圧ラインおよび低圧ライン（１２、１１）内で循環する前記作動流体を熱交換させる向流熱交換器（７）を含むことを特徴とする、請求項８または９に記載の冷凍装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの熱交換器（５、７）が、前記作動流体を、水、空気、窒素、ヘリウム、水素、メタン、ネオン、酸素またはアルゴンのうちの少なくとも１つの流体と熱交換させることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのリニア式の調節弁（９）が、リニアピストンを有する前記膨張器（１０）の動作周波数と同じ周波数でそのリニアモータによって作動され、前記膨張器（１０）に対して前記弁（９）が、前記ピストン膨張器（１０）の作動に対して位相がずれたやり方であるが、作動流体の供給または回収を制御することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項１３】
直列に配置されたリニアピストンを有する２つの圧縮器（２０、２１）を含み、前記作動回路が、第１の圧縮器（２０）の高圧出口を逆止弁システム（１４）を経由して第２の圧縮器（２１）の入口に接続する第１の高圧ライン（１１１）と、前記第２の圧縮器（２１）の高圧出口を、前記作動流体と熱交換する少なくとも１つの熱交換器（２４、２６、２７）、逆止弁システム（１４、４）、少なくとも１つの、好ましくは２つのリニア式の調節弁（９）、および少なくとも１つの、好ましくは２つの、リニアピストンを有する膨張器（２５、２８）を経由して前記第１の圧縮器（２０）の入口に接続する第２の高圧ライン（１２）とを含み、前記少なくとも１つの調節弁（９）が、前記圧縮器（２０、２１）から来る流体であって少なくとも１つの熱交換器（２４、２６、２７）と熱的に交換した流体を少なくとも１つの膨張器（２５、２８）に送るように、次いで、少なくとも１つの膨張器（２５、２８）から来る膨張流体を、少なくとも１つの熱交換器（２４、２６、２７）と途中で熱交換して前記圧縮器（２０、２１）に送るように制御されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の冷凍装置。
【請求項１４】
前記作動回路が、膨張器（２５、２８）の出口で前記作動流体の少なくとも一部を液化し、前記液相を前記作動流体の気相から分離するための、少なくとも１つの調節弁（９）の下流に配置された相分離器（２９）を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の冷凍装置。
【請求項１５】
前記作動回路が、液化された作動流体をサンプリングするためのライン（３０）と、作動流体を気相の形態で前記回路へまたは前記回路から供給するためのライン（３１）とを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の冷凍装置。
【国際調査報告】
2019510184.tif 000005
2019510184.tif 000006
2019510184.tif 000007
2019510184.tif 000008